多功能可拆卸式雾化器设计及应用

郑骆荣，夏庆国

（湖北文理学院理工学院，湖北 襄阳 441025）

随着人们对居家环境卫生的重视，家庭消毒工具成为生活中不可或缺的工具。由于传统的喷雾类消毒工具不太适用于衣物等纺织品的消毒需求，这就需要把液体细化成微粒才能更好地进行消毒处理。为了达到这一目的，所以对雾化器的内部结构及供电原理进行全新的布局和改进。使其区别于目前市面上常见的雾化器，目前工业上的雾化器，不仅体积大不方便携带，而且功率过高不适用于家庭这种小环境。市面上的小型雾化器出雾量太小，且功能单一，无法满足实际使用需求。因此，本设计在保留原有的雾化器部分功能的同时为其增加了更多的功能，改变了其原有功能单一的问题，使其成为一款具有蓝牙灯光音箱功能的小型便携式雾化器。

1 原理分析

国内外对雾化器领域的研究较少，当今市面上的雾化器在家居等多个方面展现的效果不太理想，其中一点是体积上有所欠缺。超声雾化器采用12 个超声雾化片，将水分子打散成小分子水滴，改善传统雾化器产生的雾化颗粒大、雾化快等问题。其可避免患有呼吸道疾病的患者吸入过多的小水滴。一般来说，这些小水滴会附着到呼吸道上，由于呼吸道内部堵塞支气管的多种分泌物在吸收水分后会膨胀，增加了呼吸道的负担，从而会导致患者出现缺氧、休克等问题。经过研究，该款雾化器实现了产品的理想化升级。

2 研究方向及内容

2.1 研究方向

基于时代的发展，人工智能已经走进大众视野，人们追求极致的功能效应及极佳的用户感受。经济的飞速发展，科技的不断提升，改善了当今的社会。顺应时代发展，通过改善外观、形状、大小、功耗和效益等提升雾化器的品质，其在智能化方面也增设了新功能，并且在未来会陆续提升雾化器的系统，开放独立APP，采用蓝牙、WIFI 功能，通过手机就可对其进行操控，做到触碰在指尖，万物皆互联。

2.2 研究内容

在传统便携式雾化器的基础上，衍生出具备更多功能的便携式雾化器。本研究在不破坏原有雾化功能的基础上进行家用雾化器和医用雾化器功能的结合，对雾化器的结构进行进一步的简化和升级，使其在原有的雾化功率上提升约12%。

其次在雾化器的使用寿命方面也做了相应的改良，传统雾化器在使用时会产生1.45 MHz 以上的电流，将雾化小水滴从雾化片部分吹入雾化器内时，小水滴附着在内表壁。由于水和空气易发生反应会造成金属部件生锈损坏，因此降低雾化片排风扇等电器元件的性能，从而缩短了雾化器的使用寿命。另外，在传统雾化器基础上，对超声雾化片采用了环形均布的空间设计，以防止小水滴随气体反流，对内部电子元器件起到了一定的保护作用。

为保证充满电后的雾化器使用时长，本设计对其电池进行了改装，使电池效能在保证雾化功能正常的情况下，对其附带的蓝牙音箱及灯光提供能量，在设计中4 次针对续航效能进行了改善提升，由最初的最长续航41 h，提升到56 h。

更重要的是，未来雾化器在保证其便携的优点下，计划对各项功能进行可拆卸处理，使用者在不需要使用某一项功能时，可将其拆卸下来，以此换取更长的使用时间及更方便的携带。

3 内部介绍

主动排气阀：排气阀的构件采用的是高密度纤维复合材料，此材料即使长时间在化学药剂的浸泡下也不会产生变形或者材料分解及腐烂变质。机械杠杆的密封端面部分采用小球弹簧支撑，可以随机械杠杆的伸缩运动相应调节主动排气阀，在不排气的情况下能够保证装置的气密性良好，并且主动排气阀的尺寸是经过精确计算建模设计得出的，使其易于安装和拆卸。

超声波雾化片：超声波雾化器利用超声波高频震荡，同时高纤维雾化片的反射谐振，将液态水分子物理结构打散，产生自然漂浮的小水滴，再通过双风扇把小水滴从底部吹向上部出雾口，其可使空气湿度增大，在净化空气的同时，提升空间湿度，营造舒适安逸的环境。核心架构如图1 所示。

图1 核心架构图

电子振动气溶胶发生器：由一个用于控制雾滴大小的精密锥型孔的半球形金属板和一个可进行细微抽吸振动以对药剂进行雾化的振动单元组成。在重力的作用下，药剂接触到气溶胶发生器，将这些液体抽吸并穿过金属板孔，转化成气溶胶。

4 外观特色

（1）本产品简洁小巧，在家可智能化使用，外出时方便携带。外观展示，如图2 所示。

图2 外观展示图

（2）充分利用消毒液体或药剂，可将凝结液输送回储水器。

（3）功能多元化，可以充当蓝牙灯箱，一机多用。

5 雾化器的清理

每次使用完都要彻底地清洁，主要是对消毒管口和口含嘴进行清洁，外部只要擦拭干净即可。医院里是用含氯的制剂泡的消毒液进行消毒，消毒液的比例是1∶50，也就是1 mL 的药液加50 mL 的水浸泡半小时后捞出来冲洗干净，晾干即可。

6 动力系统及控制模块

6.1 电池设计

6.1.1 电芯

仪器使用的是索尼电池，4 颗12 V 的可充电电池。通过计算，系统采用900 mAh 的双体镍氢电芯进行组合，电池充满电后总电压为13.5 V，但是由于任何电池都存在能效降低的现象，所以放电工作平衡在12 V，在100 mA 的工作电流下可以保证5 h 以上的工作时间。此电池能够为雾化器提供所需要的电量，但考虑到功能的升级以及增加，改良后的雾化器选择使用900 mAh 的双体镍氢电芯，该电池在储存期自动放电较小，即使1 a不充电也能保持其电压和容量不改变，更不会出现充不进去电或充满电后电很快流失殆尽的情况。

6.1.2 电池保护元件

为保证雾化器在充放电过程中的可靠性和安全性，不会发生由于电池过热，提前造成雾化器报废等情况，所以为该电池设计了双重的电池保护功能。

过流保护片（PTC）：这个元器件主要是针对电流过大，保护功能设计。PTC 可恢复保险丝具有过流保护，自动复原的双重功能。雾化器里的PTC 可以防止电池不正常工作和不安全的大电流的发生。

NTC 温控电阻：通过与雾化器主机电池相连的一个NTC 元件来侦测电池的温度情况，当电池表面温度达到70℃时即停止对电池的充电和放电，防止电池过热，造成安全风险。

6.2 控制系统及散热

该设计采用双螺旋桨设计，由于12 个超声雾化器工作效能偏大需要较大散热能力，据此选择中等V 值电机搭配小桨叶以提供足够推力。经过多次测算，选择的电机（空载电流）搭配5 寸5 扇叶螺旋桨叶，电池为组合电池。涉及到的相关计算为：

电机功率为

由电机功率转速所得，所选电机理想空转转速为：

考虑到安装扇叶后空气阻力会变大，损失约动能的25%，估算工作时转速。在功率一定的情况下，可通过增加扇叶的数量去增大螺旋桨的机械功率。通过双螺旋扇叶的旋转，能够持续工作，没有任何安全问题。

6.3 超声雾化片功率驱动

该设计由12 个超声雾化片环绕机芯构成，上下分布排列2 个水箱，通过上下压强不平衡，产生出水管和入水管压强差，从而实现上下水箱的平衡。

超声雾化片将机芯中的水震荡成小水滴，由底部双螺旋扇叶吹向上方出口，位于上方出口的管壁环绕有小孔，避免小水滴在管壁悬挂，形成大水滴，再由风口吹出，影响体验者的感受。

7 材料分析

雾化器外部材料主要采用磨砂塑料材料，其原因是该材料触觉较好，防腐性强，可加工性强，形态可以多样化，同时在成本上可进行节约。由于上下水箱的位置因素，下部水箱靠近电机，电机发热较大，考虑特殊情况，如风扇会突然停止工作，或者长时间使用后，风扇的性能下降，热量堆积，形成局部较高的温度，导致塑料中的一些有害成分受高温分解，会对人体造成伤害，所以下水箱采用了聚丙烯塑料（PP）材质,无须担心塑料的有害成分分解，对人体造成伤害。

8 色彩分析

在色彩的运用上，这款超声雾化器的配色主体用灰白色，辅以乳白色进行搭配，在视觉上给人一种清新简约的感受。灰白色较白色耐脏，搭配乳白色，超声雾化器焕然一新，十分美观。再者，灰白色可以增添色彩的搭配，无论房间装饰、汽车内饰，灰白色不会产生违和感。乳白色则具有安静、舒适的视觉感受。乳白色和灰白色结合会给人带来一种简约的舒适感，具有很高的视觉感受。

9 布局运行分析

雾化器整体为两部分，即携带主体与灯箱主体，携带主体为核心，包含的超声雾化片与散热系统及控制模块，在空间布局上完全合理，核心主体占据空间为，高25 cm，半径6 cm。灯箱主体由上下两个扩充性散热环形，中间部分为灯箱喇叭和渲染灯组成，灯座高18 cm，正六边形布局，边长为8 cm。考虑系统两种状态运行方式，充电运行和待充电运行，充电状态下考虑温度升高，电池会产生可复原性扩张，在灯箱及主体之间预留大于0.5 cm 的距离，在超声雾化器的调试过程中，持续工作16 h，采用红外温度枪测试外表面温度为30℃，内部温度为42℃，理论上参考镍氢电池安全工作范围：

镍氢电池温度之标准充电: 0℃～+70℃。

镍氢电池温度之涓流充电: 0℃～+70℃。

镍氢电池温度之标准放电: -20℃～+70℃。

在常温蓄电工作下，温度并没有超出镍氢电池的温度范围，所以雾化器的持续工作是可行的。

10 结束语

此款雾化器与传统的雾化器相比，在外观和功能上都有显著性的提升且小巧方便携带。同时，还具有蓝牙与WIFI 信号接收功能，不仅仅具备了雾化器本身的功能，还拥有休闲娱乐的属性。本设计遵循“效率至上，体验至上”的原则，设计出便携式可拆卸雾化器，符合新时代科技发展进步的趋势。